מיד עם סיימו את לימודי היסוד באוניברסיטה, נתמנה למורה בכיתות המכינות של בית המדרש לרבנים. בשנים אלו התרכז בעיקר במחקר תולדות יהודי איטליה. כה מהירה היתה התקדמותו והתעמקותו של קאסוטו במדעי היהדות שבעזוב מורו פרופ' חיות את פירינצי כדי לשמש רב בקהילת טריאיסטי, נמצא הוא ראוי לרשת את מקומו בבית המדרש לרבנים ונתמנה למורה למקרא ולתולדות ישראל ; והוא אז בן 29 בלבד. כעבור שנתיים התחיל לשמש מרצה לעברית באוניברסיטה המלכותית של עיר מולדתו, שבה התחיל את ראשי תדרכו במדע.
מלבד מחקריו המקוריים שהופיעו בכתבי עת שונים, החל כבר בימי צעירותו להשתתף השתתפות רבה באנציקלופדיות השונות לעניינים יהודיים, שהוצאו לאור במאה הכ' - בעברית, ברוסית, באנגלית, בגרמנית. עורכי האנציקלופדיה האיטלקית הכללית שיתפו אותו למפעלם, הוא כתב בה כמעט את כל הערכים הנוגעים ליהדות בתקופה לאחר המקרא. מאמריו באנציקלופדיות מצטיינים בכל המידות העושות ערר כזה נאה למטרתו: בהירות, קיצור לשון, אובייקטיביות בהבאת דעות שונות, ולו מתנגדות לדעותיו הוא של המחבר.
בשנת תרע"ח הוציא קאסוטו את מחקרו הגדול והמקיף על תולדות היהודים בפירינצי בתקופת התחייה, שהוא אחד מאבני היסוד למחקר קורות יהודי איטליה ; ספר זה זכה שנתיים לאחר צאתו לאור לפרס מאת האקדמיה האיטלקית "דיאי לינצ'יאי" dei lincei() כעבור זמן נתמנה המחבר לחבר באקדמיה זו, שהיא אחת המפורסמות והמכובדות בעולם המדעי.
כשנפטר הרב מרגליות בשנת תרפ"ב נקרא להיות רב ראשי של פירינצי ולעמוד בראש בית המדרש לרבנים.
כעבור שלוש שנים נתמנה לפרופיסור ללשון ולספרות עברית באוניברסיטה של פירינצי. בשנת תרצ"ג נקרא לאוניברסיטה של רומא כדי לשמש פריפיסור לעברית ולבלשנות שמית משווה. בשנת תרצ"ד יצא לאור מחקרו המקיף באיטלקית על ספר בראשית שזכה פעמיים לפרס מטעם האקדמיה האיטלקית. במחקר זה התווה את הקווים הראשונים לשיטתו שהיתה עתידה לסלול דרך חדשה במחקר המקרא ולפתוח אפקים חדשים בשדה זה. על יסוד בדיקה מדעית וקפדנית של נוסח המקרא כפי שהגיע אלינו, אגב שימוש בכל התגליות החדשות של המדע, הוכיח, שאין יסוד מדעי לתורת וילהאוזן והנגררים אחריו, והראה שנוסח המקרא שלפנינו נוסח אחיד הוא, פרי עבודתו של אומן גדול במלאכת הסגנון. הביע את ההשערה על קיום מסורות אפיות עתיקות ימים, מהן משותפות לכל עמי המזרח התיכון ומהן מיוחדות לישראל.
בשנת תרצ"ט עלה לארץ, ומאז החל לכהן כפרופיסור למקרא באוניברסיטה העברית, ובתפקיד זה שימש עד אחרון ימיו. תקופת ישיבתו בארץ היתה מבורכת בפעילות מדעית. מחקריו במקרא רבו במספרם ובחשיבותם, ויחד עם זאת עסק במחקר השירה האפית של הכנענים, ששרידיה נתגלו בראס שמרה (אוגרית), על יסוד שירים אלה הצליח לפענח מקומות סתומים רבים בכתבי הקודש, וגילה דרכים של הבעת המחשבה המקראית. שבועות מספר לפני מותו נתפרסם ספרו על האלה ענת.
בימי שבתו בירושלים התווה לעצמו תכנית להוציא לאור פירוש מקיף על ספר בראשית ועל ספר תהלים ופירושים קצרים על יתר ארבעת חומשי התורה. מותו מנע ממנו להשלים את מלאכתו זו, שהיתה בעיניו גולת הכותרת של עבודתו המדעית. שני הכרכים על ספר בראשית ופירושו על ספר שמות הנם ספרי יסוד למדע המקרא המחודש ומופת לשיטת הפרשנות המצדיקה את העמדתו ברמה אחת עם הגדולים מבין פרשני המקרא מדורי דורות.
מפעל אחר שלו הקדיש המנוח את מיטב הגיגיו ורעיונותיו הוא האנציקלופדיה המקראית ההולכת ומתפרסמת בשנים אלה. קאסוטו היה בין הראשונים שנקראו לתכנן אותו: הוא היה העורך של כמה מדורות חשובים ועורכה הראשי של כל האנציקלופדיה ; בתפקידו זה הוא הניח את היסודות למפעל כולו והתווה את הדרך להגשמתו לכל פרטיו. באוסף רב-ממדים זה נתפרסמו ועתידים להתפרסם מטובי מחקריו במדע המקרא והמזרח הקדמון.
השתתף גם באנציקלופדיה העברית הכללית. כתב בה כמה ערכים בשטח המקרא, וערך את מדור המקרא ואת מדור חולדות יהודי איטליה.
מאז שנת תש"ב היה חבר ועד הלשון העברית, ולקח חלק רב בפעולות מוסד זה. משהוחלט בשנת תש"ט על הכנת האקדמיה ללשון עברית נבחר בין שמונת החברים של האקדמיה העתידה לקום.
טוכ-לב ונעים הליכות היה. רבות סבל בשנות חייו האחרונות ; ארבעה ילדים, בן ושלוש בנות, ילדה לו אשת נעוריו. בנו, הרב ד"ר נתן קאסוטו, נתפש בידי הנאצים בעמדו על משמרת קהילתו בשעת הרת סכנות, ונעלמו עקבותיו. אחד מחתניו, מר שאול האמפאגייאנו, נפטר ביסורי גלות בפולין כשזכו כלתו העוויה ובתו האלמנה לעלות לארץ ישראל עם בניהן, קיבל פרופ'